一种基于图像信息熵的沥青混合料冻融损伤评价方法与流程

本发明属于道路工程材料损伤领域，具体涉及一种基于图像信息熵的沥青混合料冻融损伤评价方法。
背景技术：
沥青混合料是一种常用的多孔路面材料，水分是影响其使用性能的重要因素，特别是在冻融交替作用的情况下，沥青混合料内部水分发生冻胀、迁移，造成内部结构的改变。多次的冻融循环作用下，沥青混合料损伤加剧，出现严重的冻融损害和水损坏，影响沥青混合料的路用性能，因此有必要对沥青混合料的冻融损伤进行研究。现阶段对沥青混合料冻融损伤的研究主要集中在宏观力学与体积层面，以强度、模量等力学参数和总体空隙率等体积参数评价沥青混合料的冻融损伤程度，但水分对沥青混合料的影响主要在细观层面，宏观层面的参数只能间接评价冻融损伤程度，不能反映冻融损伤机理。目前在细观层面也对沥青混合料冻融损伤展开了相关的研究，但多以空隙率、连通空隙率、空隙数量等细观体积指标评价沥青混合料冻融损伤程度，但这些体积指标变化阶段不明显，不能准确反映沥青混合料冻融损伤程度，因此有必要提出一种新的沥青混合料冻融损伤评价方法。技术实现要素：本发明的目的是为了解决现有沥青混合料冻融损伤的评价参数不能准确反映沥青混合料冻融损伤程度的问题，提供一种基于图像信息熵的沥青混合料冻融损伤评价方法。为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种基于图像信息熵的沥青混合料冻融损伤评价方法，所述方法具体步骤如下：步骤一：试样制备：按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)制备直径100mm，高63.5mm的沥青混合料试件；步骤二：进行沥青混合料试件的冻融循环试验；步骤三：获取沥青混合料试件断层扫描图像：利用工业ct机对不同冻融次数下的沥青混合料试件进行扫描，在扫描过程中，确保每次扫描时试件距焦点的位置、扫描时间、扫描电压、扫描电流、扫描层数相同；利用重构软件对沥青混合料试件进行重构，每个沥青混合料试件间隔≤1mm输出断面图像，确保不同冻融次数下输出的是同一断面的图像，并设置相同的图像分辨率与尺寸；步骤四：计算图像信息熵：利用得到的ct扫描断层图像，编制matlab程序，对图像进行边缘检测并输出边缘检测后的图像，计算边缘检测图像的信息熵，具体计算如下：1、拉普拉斯高斯算子拉普拉斯高斯算子是由laplace算子和高斯卷积合成的算子，能够提高算子对噪声和离散点的稳定性：laplace算子通过求图像的二阶导数的零交叉点来实现边缘的检测，公式如下：高斯函数的表达式如下：定义log算子的核函数为：式中，▽2f为拉普拉斯算子；f为图像灰度函数；x、y为灰度函数变量；gσ(x,y)为高斯函数；σ为灰度函数标准差；log为拉普拉斯高斯算子；2、信息熵的计算对新生成的边缘检测图像进行信息熵的计算，图像信息熵计算公式如下：其中，h为信息熵，pi为灰度值为i的像素所占的比例；运用matlab软件，根据边缘检测公式(1)～(3)与图像信息熵计算公式(4)编制图像处理与信息熵计算程序，计算不同冻融次数下沥青混合料不同断面信息熵；步骤五：沥青混合料冻融损伤状态分析：选择信息熵分布均匀的试件高度范围，以该范围内的图像信息熵均值作为参数，绘制不同冻融循环次数下沥青混合料试件信息熵的变化曲线，根据信息熵的增减变化判断沥青混合料所处的冻融损伤状态，至此完成对沥青混合料冻融损伤程度的评价。本发明相对于现有技术的有益效果是：能够快速、简便、准确地计算沥青混合料试件的连通空隙率，并直观地输出连通空隙率沿沥青混合料高度的分布情况。附图说明图1为0次冻融条件下沥青混合料扫描断面示意图；图2为9次冻融条件下沥青混合料扫描断面示意图；图3为18次冻融条件下沥青混合料扫描断面示意图；图4为30次冻融条件下沥青混合料扫描断面示意图；图5为沥青混合料试件不同高度处信息熵随冻融循环次数变化曲线图；图6为不同冻融次数下沥青混合料信息熵代表值随冻融次数的变化曲线示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的保护范围之中。沥青混合料在冻融损伤过程中存在着与外界的能量交换，损伤程度与能量交换有着直接关系，因此以能量参数对沥青混合料冻融损伤进行评价是最直接的方法。信息熵是信息不确定性的度量，是系统混乱程度的表达，由系统内部微观子系统状态综合规定的，与热力学熵在本质上是一致的。工程上与热力学熵相关的参数难以获取，而信息熵理论方法简单，计算过程简便，指标敏感性高，因此信息熵可以作为能量参数应用到材料与结构损伤的识别与检测当中，在混凝土损伤的识别与检测中已经得到了应用，但在沥青混合料中几乎没有应用，因此有必要提出基于信息熵的沥青混合料损伤识别方法。空隙的变化能反应沥青混合料的损伤状态。在对图像进行边缘检测的情况下，信息熵能够反映沥青混合料内部空隙的变化情况。当空隙体积扩大、数量增多，信息熵呈增长趋势，这表明在沥青混合料吸收能量的情况下，内部损伤主要以空隙体积的扩大与数量的增加为主；当空隙发生连通时，信息熵呈减小的趋势，这表明沥青混合料内部能量释放，表现为空隙的连通。因此本发明基于信息熵理论，将沥青混合料ct扫描断面看作信息系统，根据信息熵的增减变化情况，判断沥青混合料冻融损伤状态。具体实施方式一：本实施方式记载的是一种基于图像信息熵的沥青混合料冻融损伤评价方法，所述方法具体步骤如下：步骤一：试样制备：按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)制备直径100mm，高63.5mm的沥青混合料试件；步骤二：进行沥青混合料试件的冻融循环试验；步骤三：获取沥青混合料试件断层扫描图像：利用工业ct机对不同冻融次数下(包括未经冻融的初始状态)的沥青混合料试件进行扫描，在扫描过程中，确保每次扫描时试件距焦点的位置、扫描时间、扫描电压、扫描电流、扫描层数相同；利用重构软件对沥青混合料试件进行重构，每个沥青混合料试件间隔≤1mm输出断面图像，确保不同冻融次数下输出的是同一断面的图像，并设置相同的图像分辨率与尺寸；步骤四：计算图像信息熵：利用得到的ct扫描断层图像，编制matlab程序，对图像进行边缘检测并输出边缘检测后的图像，计算边缘检测图像的信息熵，具体计算如下：1、拉普拉斯高斯算子拉普拉斯高斯算子(log，laplaceofgaussian)是由laplace算子和高斯卷积合成的算子，能够提高算子对噪声和离散点的稳定性：laplace算子通过求图像的二阶导数的零交叉点来实现边缘的检测，公式如下：高斯函数的表达式如下：定义log算子的核函数为：式中，▽2f为拉普拉斯算子；f为图像灰度函数；x、y为灰度函数变量；gσ(x,y)为高斯函数；σ为灰度函数标准差；log为拉普拉斯高斯算子；2、信息熵的计算对新生成的边缘检测图像进行信息熵的计算，图像信息熵计算公式如下：其中，h为信息熵，pi为灰度值为i的像素所占的比例；运用matlab软件，根据边缘检测公式(1)～(3)与图像信息熵计算公式(4)编制图像处理与信息熵计算程序，计算不同冻融次数下沥青混合料不同断面信息熵；步骤五：沥青混合料冻融损伤状态分析：选择信息熵分布均匀的试件高度范围，以该范围内的图像信息熵均值作为参数，绘制不同冻融循环次数下沥青混合料试件信息熵的变化曲线，根据信息熵的增减变化判断沥青混合料所处的冻融损伤状态，信息熵增长表明沥青混合料处于能量吸收状态，损伤以空隙数量增加和体积扩大为主；信息熵减少表明沥青混合料释放能量，损伤以空隙连通为主；至此完成对沥青混合料冻融损伤程度的评价。本发明通过试验与图像处理与分析相结合的方法完成了沥青混合料冻融损伤形态的评价。实施例1：ogfc-13沥青混合料为例，以信息熵评价冻融损伤按照以下步骤进行。步骤一：试样制备制备直径100mm，高63.5mm的ogfc-13试件。集料选用黑龙江产安山岩，沥青选用中石油90#石油沥青。参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)与《公路工程集料试验规程》(jtge42-2005)对原材料各项指标进行测试，各项指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》(jtgf40-2004)的要求，见表1至表3。表1粗集料技术性质表2细集料技术性质表3沥青技术性质检测指标测试值技术要求针入度25℃，5s，100g，(0.1mm)82.680-100软化点t(℃)46.2>4515℃延度(cm)>100>100采用美国superpave设计方法，设计级配采用《公路沥青路面施工技术规范》(jtgf40-2004)推荐的ogfc-13级配中值，采用旋转压实成型方法制备直径100mm，高63.5mm的试件。ogfc-13设计空隙率为21％，最佳沥青用量为4.0％。根据设计空隙率与最佳沥青用量成型试件，试件的体积参数满足《公路沥青路面施工技术规范》的要求，见表4。表4ogfc-13体积参数步骤二：进行冻融循环试验设置饱水冻融循环试验，在《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)中沥青混合料冻融劈裂试验的冻融条件基础上进行了改进，具体冻融方法为将试件置于97.3～98.7kpa的负压条件下进行真空饱水15min，之后常压浸水0.5h，保持10％的空隙饱水率在-18℃的条件下冷冻16h；将试件取出后置于20℃的恒温水箱中水浴12h，此时空隙饱水率为100％，至此完成一次冻融循环，试验条件见表5。表5饱水冻融试验条件步骤三：融试件断面图像的获取采用德国菲尼克斯公司(phoenix|x-ray)生产的phoenixv|tome|xs240型工业ct机对试件进行扫描，扫描电压为190kv、电流为300ma，扫描时间为17min，在同一位置对试件进行扫描，每个试件扫描1000层。将扫描后的ct图像利用vgstudio软件进行图像重构，并提取试件不同高度处的断层图像，采用相同的图像尺寸与分辨率。在饱水冻融条件下，经过0次、3次、6次、9次、12次、15次、18次、24次、30次冻融循环后对试件进行扫描，提取不同冻融次数下的ct扫描图像，试件断面示意图见图1～图4。步骤四：图像信息熵计算利用编制的matlab程序计算不同冻融次数下ogfc-13断面图像的信息熵，绘制不同高度处断面信息熵随冻融次数变化的曲线。步骤五：冻融损伤程度评价不同高度处断面信息熵随冻融次数变化见表6、图5，从图表中结果可以看出，图像信息熵沿试件高度呈两端小，中间大的分布规律，且试件中部分布较均匀，故以10～50mm高度范围内的信息熵均值进行描述，示意图见图6。在饱水冻融条件下，随着冻融循环次数的增加，图像信息熵呈明显的三阶段变化。第一阶段(0～9次冻融循环)熵值增加，由0.1854增加到0.2423。此阶段冻融循环作用使得沥青混合料能量增加，空隙数量增多或空隙体积增大，在图像上表现为图像信息混乱程度增加，因而熵值增加。第二阶段(9～18次)熵值急剧减小，由0.2423减小到0.2088。此阶段冻融循环作用继续对沥青混合料做功，但已超过了沥青混合料的承受范围，空隙逐渐连通生成微裂纹，将能量释放，因而熵值减小。第三阶段(18～30次)熵值缓慢增加，由0.2088增加到0.2151。该阶段冻融循环作用使得结构破坏后的沥青混合料的能量缓慢增加，新空隙的生成较空隙的连通占优势，图像混乱程度缓慢增加，信息熵增大。至此完成了对ogfc-13沥青混合料冻融损伤状态的评价。表6饱水冻融条件下信息熵随冻融循环次数的变化冻融条件0次3次6次9次12次15次18次24次30次饱水0.18540.19430.21330.24230.21150.21570.20880.21170.2151当前第1页12